Biotecnología en Antártica une a científicos con diferentes objetivos

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Biotecnología en Antártica une a científicos con diferentes objetivos

     Durante la estancia en la base científica Profesor Julio Escudero del Instituto Antártico Chileno, tres científicos llevaron a cabo proyectos biotecnológicos durante la LVI Expedición Científica Antártica. El proyecto ejecutado por Cristian Paz, Doctor en Ciencias Químicas, lleva por nombre “Red interdisciplinaria para el estudio de compuestos bioactivos de hongos antárticos para el control de células cancerígenas, levaduras patógenas y cepas bacterianas para la salud humana”, de la Universidad de La Frontera (UFRO), Temuco. Y gracias a una alianza entre el Instituto Antártico Chileno (INACH) con el Instituto Nacional Antártico Ecuatoriano (INAE), Jeffrey Vargas, Ingeniero Acuicultor e investigador del Centro de Investigaciones Biotecnológicas del Ecuador (CIBE), y Christian Romero, Doctor en Microbiología e investigador del CIBE, llevaron a cabo su trabajo en Antártica con la logística de INACH. Los tres investigadores trabajaron con la extracción de sedimento desde distintos puntos de la Antártica. Lo interesante es como cada uno de ellos ejecuta un procesamiento especializado diferente. El trabajo de laboratorio por Cristian Paz buscará encontrar nuevas moléculas que pudiesen servir para combatir enfermedades humanas, a través de metabolitos secundarios. Christian Romero, quien también estudiará los metabolitos secundarios de las bacterias, intentará encontrar compuestos que favorezcan a la agricultura, sobretodo en la exportación de frutas. Y finalmente, Jeffrey Vargas, estudiará las enzimas y proteínas encontradas dentro de los microorganismos del sedimento colectado que pudiesen reemplazar los fertilizantes químicos dañinos por fertilizantes biodegradables, aportando a la sustentabilidad de los cultivos.

La Antártica contiene mucho registro fósil de árboles desde antes del proceso de glaciación, cuando la vegetación era mucho más abundante, quedando sometida debajo de diferentes masas glaciares. Por ello, como han retrocedido, se puede encontrar suelo que pueda albergar alguna historia biológica, por ejemplo, esporas que hayan vivido cientos de años. Es una búsqueda aleatoria, donde existe la posibilidad de que las muestras puedan entregar microorganismos del pasado y que no estén descritos en la actualidad.

 ¿Qué es biotecnología?

La microbiología es la ciencia encargada del estudio de los microorganismos, quienes poseen características y realizan actividades que pueden ser de gran utilidad para el uso humano. La bioprospección es la búsqueda sistemática de estos microorganismos para evaluar su aplicación y su posible potencial económico. La biotecnología es el área multidisciplinario que utiliza estas investigaciones para usarlo a favor de la agricultura, medicina, farmacias, alimentos, forestales, entre otros. Un compuesto se puede purificar por su capacidad de degradar restos contaminantes, o por su actividad biológica que puede ayudar positivamente a la salud humana.

Cristian Paz

Objetivo

El objetivo del investigador Cristian Paz en la LVI Expedición Científica Antártica fue recolectar sedimentos descongelados recientemente. Ya que los glaciares están retrocediendo debido a su derretimiento, esto permite estudiar el suelo que se descubre, sedimento que ha permanecido por siglos sin contaminación. El trabajo en terreno se realiza cercano a la base del glaciar para buscar esporas y microorganismos, especialmente hongos filamentosos que en su procesamiento en laboratorio permitan obtener nuevas moléculas. Estas muestras recogidas en la Antártica fueron llevadas al laboratorio de la Universidad de la Frontera, Temuco, para realizar purificación de hongos, y secuenciar cada microorganismo para distinguir aquellas nuevas especies y cuáles puedan contribuir a la ciencia. Se aislarán las moléculas producidas por estos hongos, para realizar una bioprospección contra las enfermedades cancerígenas más incidentes del mundo: cáncer de mamas, cáncer de próstata, cáncer de pulmón. A bacterias resistentes hospitalarias y levaduras parasíticas del género Candida. En resumen, el equipo de esta investigación espera que alguno de estos hongos pueda tener una importancia bioquímica para el tratamiento de algunas de estas enfermedades.

            Los microorganismos tienen una supervivencia causada por una maquinaria metabólica de degradación. Producen energía a través de enzimas, y estas enzimas producen metabólitos secundarios, que son pequeñas moléculas excretadas por los microorganismos para comunicarse con otros, poder combatirlos, y establecer un territorio para que puedan aflorar. El target de esta investigación son estas moléculas desde su punto de vista médico, que han sido estudiadas con anterioridad, y sus estudios han entregado moléculas positivas para el combate de enfermedades, como la penicilina extraída del hongo Penicillium notatum. La búsqueda de estas moléculas puede derivar en encontrar moléculas orgánicas con nuevas estructuras moleculares que pueden ser de interés farmacológico.

Cristian Paz junto a glaciar Collins en islas Shetland del Sur.

Trabajo en terreno

La acción más importante en terreno fue la extracción de muestras, para esto, Cristian utilizó instrumentos que le permitieron recolectar sedimentos superficiales. Para extraer las muestras, utilizó una pala pequeña nueva. Para localizar los puntos de extracción utilizó un GPS Garmin. Para medir la temperatura, utilizó un termómetro de contacto en suelo. Bolsas de plástico esterilizadas para guardar las muestras, y marcador para rotularlas correctamente. Y distintas cajas solidas para transportar las muestras protegidas desde Antártica hasta la ciudad de Temuco. Por cada zona de muestreo, se extrajeron alrededor de 500g de sedimento.

            Al igual que un bosque, el suelo en Antártica esconde distintos hongos. Debido a que no es un lugar de microorganismos homogéneos, se debe realizar un muestreo representativo, aprovechando los puntos que por conocimiento sean los más apropiados. Gran parte de la base del glaciar es rocoso, en cambio, el área que se descubre es sedimentario, cercanos al derretimiento y afloramiento, siendo los lugares que a Cristian le interesó buscar. En la base que ha aparecido tras el retroceso glaciar, se pueden ver zonas con gran escurrimiento de agua. Puede suceder que el suelo esté lavado, con baja cantidad de material orgánico, es decir, una menor cantidad de microorganismos. Para confirmarlo, las muestras deben ser analizadas en laboratorio.

El trabajo de procesamiento de datos iniciará con la purificación de los microorganismos en laboratorio de biología molecular. La fase química requerirá fermentadores, y equipos de separación cromatográficas; la determinación molecular se realizará mediante infracción de rayos X para compuestos cristalinos, y resonancia magnética nuclear para poder determinar la estructura de estos compuestos.

Conversamos con Cristian.

¿Por qué escogiste la Antártica para realizar tu investigación?

La Antártica es un continente muy basto, cubierto principalmente por hielo, por lo tanto, lo que conocemos de él es muy poco. El derretimiento de algunas zonas y las temperaturas históricas del Continente Blanco ha permitido encontrar, año a año, nuevos microorganismos.

 ¿Cómo deciden un lugar óptimo de muestreo?

Básicamente busco el sedimento nuevo, es decir, el que se encuentra bajo el retroceso de los glaciares, ya que no están contaminados por los animales. Por otra parte, se busca suelo que posea material particulado pequeño con materia orgánica. Al recorrer los bordes de los glaciares se puede determinar que no todos los lugares tienen este material, por ello es una búsqueda de oportunidades.

¿Cuántos colaboradores conforman el equipo?

El grupo es multidisciplinario. En la Universidad de la Frontera (UFRO), la Dra. Paola Durán trabaja en biocontrol con bacterias y hongos, mientras que el Dr. Cledir Santos trabaja en metabolómica de hongos filamentosos. En Concepción, el Dr. Iván González Chavarría trabaja en cáncer de próstata y otras líneas, como cáncer de mamas y de pulmón. El Dr. Gerardo González trabaja en bacterias resistentes hospitalarias, mientras que el Dr. José Becerra de la Facultad de Ciencias Naturales y Oceanográficas, trabaja en productos naturales. Por mi parte, dirijo el laboratorio de productos naturales y descubrimiento de fármacos en la UFRO, donde extraemos compuestos orgánicos y purificamos los principios activos. La determinación molecular de estos compuestos la realizamos con la colaboración del Dr. Bernd Schmidt de la Universidad de Potsdam en Alemania; es un grupo muy grande y variado.

¿Cómo es el proceso de coordinación junto a todo tu equipo?

El proyecto lo dirijo de acuerdo con las necesidades de cada etapa. En una primera etapa necesitamos el aislamiento, purificación e identificación de los hongos de las muestras traídas desde la Antártica. Para ello trabajo en coordinación con la Dra. Paola Durán y el Dr. Cledir Santos en la misma UFRO, en laboratorios diferentes, pero es cercano y fácil de interactuar. En esta etapa estamos actualmente. Posteriormente, los hongos deben ser cultivados y extraídos, lo cual se realizará en mi laboratorio. Luego los extractos serán enviados a los grupos de análisis biológico en la UFRO, la Dra. Paola Durán estudia algunas levaduras patógenas como Candida albicans. En la UDEC, el Dr. Iván González Chavarría estudiará estos extractos en cáncer y el Dr. Gerardo González analizará los extractos contra bacterias. Posterior a ello, las muestras activas serán escaladas en su obtención y se purificarán los compuestos. Cada etapa tiene su actor principal e independiente, los cuales a menudo visito y conversamos personalmente sobre los resultados.

¿Si pudieras caracterizar la ciencia en Chile, cómo definirías el desempeño de los actuales exponentes, desde tu especialidad?

Cristián Paz recolectó alrededor de 500gr. de sedimento por punto de muestreo.

Definitivamente la ciencia en Chile va avanzando rápidamente y lo seguirá haciendo a medida que más investigadores trabajen en ciencia teórica y experimental, de forma colaborativa, ya que las universidades se están clasificando y en gran medida por su productividad científica. Esto implica que los científicos de universidades públicas y privadas tengan la oportunidad, o sean incentivados no solo a realizar una catedra, sino también a realizar estudios científicos. Es verdad que los recursos aportados por el gobierno son muy limitados y las exigencias para ganar los concursos es cada vez mas alta, siendo algo antagónico a lo que se exige, pero esperamos que la política cambie y valoremos más las actividades científicas que a un jugador de fútbol, sobre todo en estos tiempos de pandemia donde se busca en la ciencia una solución a la catástrofe mundial del COVID-19.

Jeffrey Vargas

Objetivo

Jeffrey Vargas trabajando en sus muestras en laboratorio de INACH.

El objetivo del investigador Jeffrey Vargas es la bioprospección enfocada en el estudio de enzimas con un alto nivel de aplicación biotecnológica, para encontrar mejores métodos de aislamiento, preservación y transporte de los microrganismos. Su proyecto inició en 2011, y desde entonces, el laboratorio del CIBE ha formado un banco de microorganismos antárticos con los diferentes aislamientos de microorganismos, contando con 230 cepas aproximadamente. El problema es que a medida que pasa el tiempo, las cepas van perdiendo parte de su actividad debido a que no están en las condiciones óptimas. Ante esta problemática, el equipo estudiará las características desde la extracción de muestra y así validar las condiciones, por ejemplo, la acidez, temperatura del suelo, humedad y ubicación. Estos datos benefician la preparación de medios de cultivo, o de aislamiento, para poder mantener aquellas condiciones lo más similar posible. Siempre existe la posibilidad que, por condiciones de transporte, temperatura, localización, o luz, ciertos microorganismos no puedan crecer. Jeffrey intentará trabajar en laboratorio el aislamiento de microorganismos sometidos a una condición y sustrato en específico, por ejemplo, almidón y celulosa. Desde el aislamiento, sabrá cuál microorganismo está en contacto con el sustrato y, así iniciar a degradarlo para generar ciertas enzimas. Por otra parte, se extraerán proteínas y bacterias, analizando cuál método de transporte hacia Ecuador desde Antártica es el mas eficiente.

Aparte, se colectarán muestras de suelo que serán utilizadas por diferentes áreas en el laboratorio del CIBE, enfocadas en la industria agrícola y acuícola, en cultivos de bananos, cacao, caña de azúcar, leguminosas y camarones. Por lo que, la investigación de Jeffrey busca encontrar microorganismos que les ayuden a ser eficiente en la absorción de minerales, y que sirvan como agentes que controlen ciertos patógenos que afecten a los cultivos.

            Respecto a la extracción de muestras, Jeffrey está enfocado en encontrar enzimas hidrolíticas, enzimas que degradan ciertos sustratos como almidón y celulosa, por lo que se seleccionaron zonas llamativas biológicamente. Generalmente son áreas donde hay crecimiento de musgos, o donde se estén llevando a cabo procesos biológicos, como zonas cercanas de anidamiento de aves, donde exista materia orgánica que, en cierto punto, ya se esté descomponiendo con ayuda de microorganismos. El proyecto se expande hacia otras zonas de deshielo para buscar cuáles organismos puedan encontrarse. Se realiza una selección visual, se seleccionan las áreas más prometedoras antes de iniciar la extracción de los microrganismos. Finalmente, el equipo solo podrá aislar ciertos organismos denominados microorganismos cultivables. Se trabajará con los que mejor soporten las condiciones del laboratorio.

Preguntas en terreno

Existen varios métodos de preservación de microorganismos. Para transferir las muestras desde isla Rey Jorge hasta Guayaquil, Ecuador, Jeffrey nos describió el método que su equipo ha efectuado durante los últimos 5 años. Las proteínas son moléculas muy pequeñas que no pueden centrifugarse para separarlas del líquido. Es como tratar de sacarle el azúcar al agua. Para el transporte de proteínas, se realiza un proceso de precipitación para extraer el líquido. Se utilizan solventes como la acetona, que no tiene una afinidad con las proteínas, por lo que se agrupan y se precipitan, quedando en partículas similares al polvo. Para las muestras de bacterias utilizan glicerol, que evita el proceso de congelación.

El proceso de congelación daña las muestras biológicas, ya que, al someterlas a condiciones bajas de temperatura, se forman cristales por el agua interna de estos microorganismos. Al igual que los copos de nieve, estos cristales forman púas que dañan a la bacteria de forma irreversible en algunos casos. También, el proceso de precipitación evita la congelación, ya que aplicar solvente como acetona, las proteínas se hacen polvo, entonces al estar sin agua no se pueden congelar y se evita la desnaturalización de estas. La logística en Ecuador cuenta con proveedor de hielo seco y congeladores respectivos de almacenamiento. Hay que recordar que el clima en Ecuador es tropical, alcanzando los 32ºC.

¿Te ha impresionado algo de la Antártica?

He tenido más conocimiento de los alrededores de las muestras en las que trabajaba, extraídas en isla Greenwich, pero si me ha impresionado escuchar la experiencia de unos compañeros que vinieron en expediciones anteriores, donde decían que el frío era insoportable, siempre estaba nevando y todo cubierto de hielo. Lo que me sorprende es que, antes de venir hacia la Antártica, habíamos seleccionado las zonas de trabajo, veíamos en el mapa, una zona blanca cubierta de nieve, y en el momento que llegamos no vemos absolutamente nada. Nuestras zonas de muestreo iban a ser zonas cubiertas de hielo, entonces se nos ha hecho un poco difícil por lo que tenemos que modificar ciertos puntos para tratar de buscar esas zonas, porque alrededor de la base no hemos encontrado. Y bueno, la temperatura como se registró en las últimas dos semanas está llegando hasta los 20ºC, el cambio climático se nota. Yo lo decía o lo escuchaba “bueno si hay, pero a veces es exagerado”, pero al llegar aquí te das cuenta cómo es la situación realmente.

¿Qué desafíos crees que la ciencia debiese empezar a investigar?

Jeffrey Vargas durante seminario científico realizado en base Escudero.

La mayoría de mis investigaciones están basadas en acuicultura y agricultura; nosotros tratamos de buscarle y darle ese valor, que sea biotecnológico, que sea amigable para el medioambiente, con el menor daño posible, y que sea rentable. Lo que hacemos ahora es tratar de buscar nuevos componentes, ya sabemos que todos los componentes que se generaron desde el siglo pasado con respecto a todos los productos químicos están causando daños en el mar y en los ríos. Lo que tratamos de hacer es buscar nuevos elementos que nos ayuden a mejorar, y de cierto punto a mantener el ecosistema en donde nosotros vivimos. El trabajo en la Antártica nos permite expandir nuestros horizontes con respecto a la investigación, ver cómo estos organismos tienen que pasar ciertas condiciones extremas de temperatura, incluso en zonas áridas donde ni siquiera tienen condiciones de humedad, y entender su sobrevivencia. Eso nos da una idea de lo fuerte y prometedora que es su maquinaria biológica para resistir las fuertes condiciones climáticas de la Antártica. Nosotros queremos ver y tratar de aplicar todos estos descubrimientos que logremos hacer para generar ciertos productos que puedan ser amigables al ambiente y efectivos, pudiendo competir directamente con los compuestos inorgánicos.

Christian Romero

Christian Romero durante seminario científico realizado en base Escudero.

Objetivo

El trabajo de Christian Romero tiene por objetivo la obtención actinomicetos, grupo de bacterias caracterizadas por ser grandes productores de antibióticos y de compuestos con actividades cancerígenas y antiparasitarias. Tras la recolección de muestras en esta campaña antártica, se aislarán actinobacterias para conseguir cepas puras, y así poder cultivarlas en diferentes medios de cultivo con el objetivo de encontrar nuevos metabolitos secundarios y nuevos tipos de antibióticos. Tras encontrar cepas provisorias con actividad biológica, el equipo de Christian realizará un análisis químico para elucidar el tipo de compuesto que se está produciendo, utilizando diferentes técnicas, por ejemplo, técnicas espectrométricas y espectrofotométricas, las más utilizadas para caracterizar este tipo de moléculas. La línea actual de investigación de antibióticos busca fuentes en zonas inhóspitas en donde existan bacterias que puedan producir compuestos para los cuales las bacterias resistentes a antibióticos todavía no hallan desarrollado un mecanismo de resistencia.

            El proyecto cuenta con la colaboración de institutos en Ecuador y fuera del país con la tecnología necesaria para la caracterización de este tipo de moléculas. Generalmente estos compuestos son sintetizados en muy bajas concentraciones por los organismos, obteniendo cantidades en miligramos. Para la identificación y elucidación se requieren grandes concentraciones de este compuesto, por lo que se requieren equipos de alta tecnología que permitan probar los compuestos y determinar si tiene una actividad antibiótica mucho más efectiva que los antibióticos que están actualmente en el mercado.

Preguntas en terreno

¿Cuál es la diferencia entre una bacteria aislada en condiciones extremas, como en Antártica, y una bacteria en bosque seco tropical, como en Ecuador?

La principal diferencia entre estos dos grupos de bacterias va a ser principalmente los metabolitos secundarios y las enzimas y proteínas que estas bacterias sintetizan. En Ecuador, se sabe que estas bacterias, las enzimas y proteínas que producen, van a tener una actividad óptima alrededor de 30-35ºC, porque el ambiente circundante tiene esa temperatura la mayor parte del año. En bacterias aisladas en ambientes extremos, cuya temperatura promedio es igual o menor que 0 grados, el mecanismo de acción y la eficiencia en la cual estas enzimas van a tener su máxima eficacia es por consiguiente a una menor temperatura.

¿Cuál es la relevancia de comparar la temperatura óptima de las bacterias?

Es interesante, por ejemplo, si yo quiero realizar procesos de conversión de materia orgánica, en muchos casos me veo limitado por la temperatura a la cual se producen este tipo de transformaciones. En enzimas y proteínas aisladas en zonas ecuatoriales, las temperaturas muy bajas van a inhibir su actividad biológica. Sin embargo, bacterias que produzcan enzimas y proteínas en Antártica, no van a tener esos problemas, ya que su temperatura óptima va a ser mucho menor, y eso me va a permitir que ciertos compuestos y ciertos residuos de materia orgánica puedan ser degradados en condiciones inferiores a lo que normalmente nosotros trabajamos. Otro de los usos que se les está dando actualmente es para procesos de conservación. Si buscamos un metabolito secundario, una enzima o proteína que trabaje muy bien a 4 grados, puede ser utilizado en procesos de embarque. Actualmente, se están utilizando para recubrimiento de frutas como banano, frutillas, entre otras, para que así desde la zona donde fueron embarcadas hasta la zona de destino, estas frutas no se degraden o dañen. Porque generalmente están conservadas a 4ºC. Si se recubren con estos metabolitos secundarios, las frutas llegan en mejores condiciones, porque voy a tener un recubrimiento que resiste muy bien temperaturas bajas, por consiguiente, si resisten muy bien este tipo de compuestos, van a dar una protección adicional a estos frutos en los cuales los hemos utilizados. Lo que nosotros quisiéramos hacer es encontrar este tipo de compuestos que permitan realizar procesos en frío.

¿Qué son los metabolitos secundarios?

Los metabolitos secundarios son productos producidos mediante el metabolismo secundario de las bacterias. Las bacterias producen este tipo de moléculas por dos roles biológicas. El primero de ellos, como mecanismo señal, es decir, producen ciertos compuestos para activar otros compuestos cuando están en comunicación con otras bacterias. Las bacterias en el suelo, o en su hábitat natural, conviven en simbiosis con muchas bacterias, entonces se cree que muchos de estos metabolitos secundarios son utilizados como molécula de señal para que cuando esté presente o en contacto con otras bacterias, sintetice este compuesto para que así la otra bacteria sintetice compuestos adicionales y así sucesivamente producen compuestos que únicamente van a estar presentes, o únicamente se van a sintetizar cuando esté en contacto con otro grupo de bacterias. El segundo rol biológico de los metabolitos secundarios es de competencia. En el caso específico de los antibióticos, las bacterias que producen estos antibióticos los producen por motivos de competencia, es decir, si esas bacterias producen antibióticos, las bacterias alrededor del área donde esta bacteria productora de antibióticos está presente van a morir. Por consiguiente, esta bacteria productora va a tener mayor disponibilidad de nutrientes, mayor disponibilidad de hábitat para multiplicarse y ocupar ese nuevo nicho. Esas son los dos potenciales razones por las cuales las bacterias producen metabolitos secundarios. Muchos de los metabolitos secundarios producidos por estas bacterias son utilizados actualmente para curar infecciones causadas por hongos, bacterias, parásitos, y además son utilizadas para curar distintos tipos de cánceres. Esta es una investigación bastante interesante porque anteriormente se pensaba que los metabolitos secundarios se expresaban, o se producían, pero no se sabía exactamente su rol biológico: molécula señal y de competencia.